專(zhuān)利名稱(chēng)：熱移動(dòng)傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及用于檢測(cè)物體移動(dòng)的傳感器(transducer)，并且特別涉及微機(jī)電系統(tǒng)(Micro-Electro-Mechanical-System，MEMS)設(shè)備中用于檢測(cè)物體移動(dòng)的傳感器。
背景技術(shù)：
P.Vettiger等人描述的局部探針存儲(chǔ)(local probe storage)設(shè)備是一個(gè)典型MEMS設(shè)備的示例，參見(jiàn)Vettiger等人在2000年5月的IBM Journal ofResearch and Development的第44卷第3期中的“The Millipede”-More thanone thousand tips for future AFM data storage。這種設(shè)備一般包括存儲(chǔ)表面，具有置于其上的局部可變形的薄膜；和微機(jī)械探針傳感器陣列，每一個(gè)微機(jī)械探針傳感器都具有面向涂層的原子尺寸的探針尖端(probe tip)。在操作中，在數(shù)據(jù)寫(xiě)操作期間，使該尖端接近于存儲(chǔ)表面。一般采用加熱形式，將能量選擇性地施加到每一個(gè)尖端上。施加到該尖端上的能量被傳遞到存儲(chǔ)表面。這種能量傳遞在位于每一個(gè)被提供給能量的尖端附近的存儲(chǔ)表面上產(chǎn)生局部變形。使該尖端的陣列在連續(xù)寫(xiě)操作之間，在相對(duì)于存儲(chǔ)表面的掃描運(yùn)動(dòng)中移動(dòng)，以便為寫(xiě)入存儲(chǔ)表面上的新位置進(jìn)行準(zhǔn)備。在讀操作期間，促使該尖端陣列遠(yuǎn)離存儲(chǔ)表面。同時(shí)，再次使該尖端在相對(duì)于存儲(chǔ)表面的掃描運(yùn)動(dòng)中移動(dòng)。在上述寫(xiě)操作期間產(chǎn)生的存儲(chǔ)表面的局部變形，會(huì)在探針掃過(guò)表面時(shí)在這些探針中產(chǎn)生偏斜。這種偏斜能夠通過(guò)熱學(xué)或光學(xué)的方法檢測(cè)到。由尖端引起的存儲(chǔ)表面中局部變形的存在或不存在能夠被檢測(cè)為存儲(chǔ)的“1”或存儲(chǔ)的“0”。該存儲(chǔ)表面被安裝在X-Y掃描器上，以便有利于與上述讀和寫(xiě)操作相關(guān)聯(lián)的掃描運(yùn)動(dòng)。
在操作中，存儲(chǔ)表面中編碼的位置誤差信號(hào)(PES)便利于感測(cè)該存儲(chǔ)表面相對(duì)于尖端的位置和速度。然而，在一些情形下，例如在初始啟動(dòng)該設(shè)備時(shí)或者在設(shè)備從機(jī)械振動(dòng)中進(jìn)行恢復(fù)期間，不可能獲得PES數(shù)據(jù)。為了獲得PES數(shù)據(jù)，掃描器首先移動(dòng)到特定位置，接著開(kāi)始以特定速度進(jìn)行掃描。然而，為了簡(jiǎn)化這種獲取，需要提供一種傳感器，用于在不能獲得編碼的PES數(shù)據(jù)的情形下，獨(dú)立于PES數(shù)據(jù)而進(jìn)行移動(dòng)感測(cè)。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明，現(xiàn)在提供一種用于檢測(cè)物體移動(dòng)的傳感器，該物體被設(shè)置成在一個(gè)平面中移動(dòng)，該傳感器包括加熱器，面對(duì)該物體的運(yùn)動(dòng)平面，并且具有依賴(lài)于溫度的電阻；和在該物體中定義的邊界，位于具有不同導(dǎo)熱率的區(qū)域之間；其中，隨著該物體的移動(dòng)，該邊界相對(duì)于加熱器移動(dòng)，產(chǎn)生加熱器的熱損耗中的相應(yīng)變化以及加熱器的電阻中的相應(yīng)變化。
該物體可以被設(shè)置成在平面中進(jìn)行平移移動(dòng)?？商鎿Q地，該物體可以被設(shè)置成在平面中進(jìn)行旋轉(zhuǎn)移動(dòng)。然而，首先考慮平移情形，邊界最好位于該物體的平面表面中。在本發(fā)明的特定優(yōu)選實(shí)施方式中，該邊界是直線的。在本發(fā)明的特定優(yōu)選實(shí)施方式中，加熱器最好包括一個(gè)延伸體(elongate body)，與該平面表面平行地重疊和延伸，并且與該邊界垂直。這就有利地提供了對(duì)物體位移的令人驚訝的線性響應(yīng)。而且，在即將簡(jiǎn)要描述的本發(fā)明的MEMS實(shí)施例中，該響應(yīng)非常迅速，從而允許將較高的帶寬反饋用于一定范圍的伺服控制應(yīng)用中。該延伸體最好包括硅懸臂，其中形成有摻雜電阻區(qū)域(dopedresistive region)。因此，本發(fā)明的傳感器技術(shù)便利地與其他MEMS制造技術(shù)兼容。該邊界可以位于平面表面的外圍?？商鎿Q地，該邊界可以被形成為平面表面中的臺(tái)階。
本發(fā)明還延伸到用于檢測(cè)物體移動(dòng)的移動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，該物體被設(shè)置成在一個(gè)平面中移動(dòng)，該系統(tǒng)包括如本文前面所述的第一和第二傳感器，用于在該平面中沿物體公共移動(dòng)軸的相對(duì)方向上操作。最好是，第一和第二傳感器各自面對(duì)該表面的第一和第二平行邊界。
本發(fā)明還延伸到用于檢測(cè)物體移動(dòng)的移動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，該物體被設(shè)置成在一個(gè)平面中移動(dòng)，該系統(tǒng)包括如本文前面所述的第一和第二傳感器，用于在該平面中物體移動(dòng)的正交方向上操作。最好是，在該實(shí)例中，第一和第二傳感器各自面對(duì)該表面的第一和第二正交邊界。該裝置有利地便利于獨(dú)立地測(cè)量?jī)蓚€(gè)正交方向上的位移，而不會(huì)傳感器之間產(chǎn)生串?dāng)_(cross talk)。
在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，該表面被設(shè)置成與加熱器平行地圍繞旋轉(zhuǎn)軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)移動(dòng)。該邊界可以具有槽(slot)的一側(cè)的形式，該槽在表面中形成并且從旋轉(zhuǎn)軸起作徑向延伸。可替換地，該表面可以包括從旋轉(zhuǎn)軸起作徑向延伸的輻條(spoke)，并且該邊界可以包括該輻條的一側(cè)。
從另一個(gè)角度來(lái)考察本發(fā)明，提供一種用于檢測(cè)物體移動(dòng)的方法，該物體被設(shè)置成在一個(gè)平面中移動(dòng)，該方法包括放置一個(gè)具有依賴(lài)于溫度的電阻的加熱器，使其面對(duì)該物體的運(yùn)動(dòng)平面；在具有不同導(dǎo)熱率的區(qū)域之間，定義該物體中的邊界；并且，在該物體在該平面中移動(dòng)期間，隨著該邊界相對(duì)于加熱器移動(dòng)，與加熱器的熱損耗中的變化相對(duì)應(yīng)地檢測(cè)加熱器的電阻中的變化。
從另一個(gè)角度來(lái)考察本發(fā)明，提供一種局部探針存儲(chǔ)設(shè)備，包括存儲(chǔ)表面，局部探針存儲(chǔ)陣列具有面對(duì)該存儲(chǔ)表面的多個(gè)尖端；掃描器，用于使該存儲(chǔ)表面在與該陣列平行的平面中相對(duì)于該陣列移動(dòng)；和移動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，如本文前面所述，用于檢測(cè)該存儲(chǔ)表面相對(duì)于該陣列的移動(dòng)。
這有利地便利于不靈活的掃描器組件，而無(wú)需犧牲靈敏度。好于存儲(chǔ)表面上的數(shù)據(jù)道(data track)間距(pitch)的靈敏度，允許在縮減的存取時(shí)間中對(duì)特定數(shù)據(jù)道進(jìn)行啟動(dòng)和尋址操作。


現(xiàn)在將借助附圖、僅僅通過(guò)示例來(lái)描述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，其中圖1是體現(xiàn)本發(fā)明的傳感器示例的平面圖；圖2是體現(xiàn)本發(fā)明的另一個(gè)傳感器示例的平面圖；圖3是圖2所示的傳感器的加熱器電阻值相對(duì)于時(shí)間的曲線圖；圖4是體現(xiàn)本發(fā)明的另一個(gè)傳感器示例的平面圖；圖5是圖4所示的傳感器的側(cè)視圖；圖6是圖4所示的傳感器的另一個(gè)側(cè)視圖；圖7是圖4所示的傳感器的另一個(gè)側(cè)視圖；圖8是平面圖中體現(xiàn)本發(fā)明的優(yōu)選傳感器示例的掃描電子顯微鏡(SEM)顯微圖；圖9是圖8所示的SEM顯微圖的放大；圖10是體現(xiàn)本發(fā)明的傳感器示例的傳感器電壓相對(duì)于時(shí)間的變化的曲線圖；圖11是體現(xiàn)本發(fā)明的傳感器示例的傳感器電壓相對(duì)于時(shí)間的變化的另一個(gè)曲線圖；圖12是用于從體現(xiàn)本發(fā)明的傳感器中獲取位移、速度和加速度測(cè)量值的電路的方框圖；圖13是用于從體現(xiàn)本發(fā)明的傳感器中獲取位移、速度和加速度測(cè)量值的電路的簡(jiǎn)化電路圖；圖14是體現(xiàn)本發(fā)明的另一個(gè)傳感器示例的平面圖；圖15是圖14所示的傳感器的側(cè)視圖；圖16是圖14所示的傳感器的另一個(gè)側(cè)視圖；圖17是體現(xiàn)本發(fā)明的另一個(gè)傳感器的平面圖；圖18是體現(xiàn)本發(fā)明的傳感器的另一個(gè)側(cè)視圖；圖19是體現(xiàn)本發(fā)明的另一個(gè)傳感器的平面圖；圖20是體現(xiàn)本發(fā)明的另一個(gè)傳感器的平面圖；圖21是體現(xiàn)本發(fā)明的另一個(gè)傳感器示例的平面圖；圖22是圖21所示的傳感器的加熱器電阻相對(duì)于時(shí)間的曲線圖；圖23是體現(xiàn)本發(fā)明的另一個(gè)傳感器示例的平面圖；圖24是圖23所示的傳感器的加熱器電阻相對(duì)于時(shí)間的曲線圖；圖25是圖23所示的傳感器的加熱器電阻相對(duì)于時(shí)間的另一個(gè)曲線圖；圖26是圖23所示的傳感器的加熱器電阻相對(duì)于時(shí)間的另一個(gè)曲線圖；和圖27是體現(xiàn)本發(fā)明的局部探針存儲(chǔ)設(shè)備的側(cè)視圖。
具體實(shí)施例方式
首先參照?qǐng)D1，在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，提供傳感器3，用于檢測(cè)物體1的移動(dòng)，物體1被設(shè)置成在平面中、沿移動(dòng)軸9、在相對(duì)于基準(zhǔn)2的任何方向上進(jìn)行平移移動(dòng)。傳感器3包括面對(duì)物體1的移動(dòng)平面的加熱器4。加熱器4具有依賴(lài)于溫度的電阻。物體1包括具有第一區(qū)域7和第二區(qū)域8的表面6。第一區(qū)域7的導(dǎo)熱率與第二區(qū)域8的導(dǎo)熱率不同。邊界5將第一區(qū)域7和第二區(qū)域8分離開(kāi)來(lái)。于是，邊界5充當(dāng)具有較大和較小導(dǎo)熱率的區(qū)域之間的分界線。在操作中，隨著物體1沿移動(dòng)軸9移動(dòng)，邊界5相對(duì)于加熱器4移動(dòng)，產(chǎn)生加熱器4的熱損耗中的相應(yīng)變化以及加熱器4的電阻中的相應(yīng)變化。
現(xiàn)在參照?qǐng)D2，在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，提供傳感器3，用于檢測(cè)物體1的移動(dòng)，物體1被設(shè)置成在平面中、圍繞旋轉(zhuǎn)軸、在任何方向上進(jìn)行旋轉(zhuǎn)移動(dòng)。物體1具有可旋轉(zhuǎn)的盤(pán)、軸(shaft)或棒(spindle)的形式。傳感器3仍然包括面對(duì)物體1的旋轉(zhuǎn)平面的加熱器4。加熱器4仍然具有依賴(lài)于溫度的電阻。物體1包括具有第一區(qū)域7和第二區(qū)域8的表面6。第一區(qū)域7的導(dǎo)熱率與第二區(qū)域8的導(dǎo)熱率不同。邊界5仍然將第一區(qū)域12和第二區(qū)域14分離開(kāi)來(lái)。于是，邊界5充當(dāng)具有較大和較小導(dǎo)熱率的區(qū)域之間的分界線。在操作中，隨著物體1旋轉(zhuǎn)，邊界5相對(duì)于加熱器4移動(dòng)，產(chǎn)生加熱器4的熱損耗中的相應(yīng)變化以及加熱器4的電阻中的相應(yīng)變化。參照?qǐng)D3，隨著物體1旋轉(zhuǎn)，加熱器4的電阻遵循脈沖波形而變化，每一個(gè)脈沖與例如經(jīng)過(guò)加熱器4的第二區(qū)域8相對(duì)應(yīng)。
第一區(qū)域7與第二區(qū)域8之間的導(dǎo)熱率的不同可以通過(guò)很多方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。例如，第二區(qū)域8可以通過(guò)用其熱特性與形成第一區(qū)域7的材料的熱特性不同的材料進(jìn)行涂覆或者通過(guò)其他方式來(lái)形成?？商鎿Q地或可附加地，可以對(duì)第一和第二區(qū)域之一打孔，使其具有微孔(pore)或小孔(aperture)，從而局部修改大塊材料的熱特性。在本發(fā)明的特定優(yōu)選實(shí)施例中，第二區(qū)域8由氣隙構(gòu)成。這種氣隙可以通過(guò)在表面6中引入凹槽來(lái)構(gòu)成，而邊界5具有臺(tái)階的形式?？商鎿Q地，在即將簡(jiǎn)要描述的本發(fā)明的特定優(yōu)選實(shí)施例中，該氣隙可以通過(guò)在表面6的外圍以自由空間來(lái)提供，而邊界5是表面6的外圍邊界。
導(dǎo)熱率的不同特別是對(duì)于本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的微米或毫微米量級(jí)具有重要意義。例如，參見(jiàn)圖4，在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，提供如上參照?qǐng)D1所述的傳感器3，用于測(cè)量物體1的毫微米量級(jí)線性運(yùn)動(dòng)。傳感器3是用硅形成的。然而，應(yīng)當(dāng)理解，在本發(fā)明的其他實(shí)施例中，可以采用不同的材料來(lái)代替硅。傳感器3位于接近于物體1的表面6的外圍邊界5但與其分隔開(kāi)的位置，使得第一區(qū)域7由表面6的大塊材料來(lái)形成，而第二區(qū)域8由圍繞物體1的空氣或氣體形成。傳感器3包括從基準(zhǔn)2在垂直于表面6的邊界5且平行于表面6的方向上延伸出來(lái)的延伸體。傳感器3的該延伸體承載用于攜帶電流的導(dǎo)電路徑。該導(dǎo)電路徑可以通過(guò)用適當(dāng)?shù)碾姾墒┲骰蚪邮照邠诫s傳感器3的硅體來(lái)形成。對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，引入導(dǎo)電路徑的其他技術(shù)是顯而易見(jiàn)的。傳感器3的該延伸體包括一對(duì)肢狀物，這對(duì)肢狀物終止于遠(yuǎn)離基準(zhǔn)的互連處。然而，應(yīng)當(dāng)理解，傳感器3的該延伸體其他設(shè)計(jì)同樣是可能的。熱隔離的電阻性加熱元件4置于導(dǎo)電路徑中的該延伸體上。加熱器4仍然可以通過(guò)用適當(dāng)?shù)氖┲骰蚪邮照邠诫s硅體來(lái)形成。對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，引入加熱器4的其他技術(shù)是顯然的。加熱器4位于傳感器3的延伸體上，使得沿加熱器4的長(zhǎng)度設(shè)置表面6的邊界5。加熱器4至少與物體1的所需位移范圍同樣長(zhǎng)，并且排列加熱器4使其縱軸平行于將要感測(cè)的運(yùn)動(dòng)方向。
在操作中，電流經(jīng)過(guò)加熱器4。該電流在加熱器4中引起熱發(fā)生。加熱器4的電阻依賴(lài)于加熱器4的溫度。加熱器4的溫度依賴(lài)于加熱器4與表面6之間的距離。因此，加熱器4的溫度依賴(lài)于加熱器4相對(duì)于表面6的位置。更具體地說(shuō)，加熱器4的溫度依賴(lài)于加熱器4與表面6之間的重疊程度。加熱器4的溫度與表面6之間的關(guān)系源自于熱能通過(guò)介入間隙從加熱器4到表面6的傳導(dǎo)。
這種傳導(dǎo)的效率依賴(lài)于加熱器4與表面6之間的距離。當(dāng)在與傳感器3的縱軸平行的方向上移動(dòng)表面6時(shí)，通過(guò)形成在表面6上的邊界5來(lái)增加或減少加熱器4到表面6的平均距離。該距離的增加或減少使加熱器4的冷卻效率產(chǎn)生相應(yīng)變化。冷卻效率的變化使加熱器4的電阻產(chǎn)生相應(yīng)變化。在本發(fā)明的特定優(yōu)選實(shí)施例中，與加熱器4相鄰的表面6的邊界5是平滑的并且與將要感測(cè)的運(yùn)動(dòng)方向垂直，使得該垂直方向上的任何運(yùn)動(dòng)不產(chǎn)生冷卻效率上的變化，因此沒(méi)有信號(hào)。類(lèi)似地，在本發(fā)明的特定優(yōu)選實(shí)施例中，加熱器4的平面與表面6的平面平行，以便提供輸出信號(hào)，該輸出信號(hào)作為物體1的位移的線性函數(shù)而變化。傳感器3的靈敏度依賴(lài)于加熱器4與表面6之間的間距。
參照?qǐng)D5、6和7，應(yīng)當(dāng)理解，加熱器4和表面6重疊或者換句話說(shuō)彼此相對(duì)的區(qū)域，隨著物體1相對(duì)于基準(zhǔn)2的移動(dòng)而變化。例如，在圖5中，大約一半的加熱器面對(duì)表面6，對(duì)應(yīng)于傳感器3接近于其范圍的中間位置。在圖6中，傳感器3位于其范圍的一個(gè)末端，使得加熱器4的最小區(qū)域面對(duì)表面6。表面6向該末端的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致加熱器4的冷卻降低。因此，加熱器4的溫度升高。將溫度的升高作為加熱器4的電阻變化來(lái)測(cè)量。相反，在圖7中，傳感器3位于其范圍的另一個(gè)末端，使得幾乎加熱器4的全部區(qū)域面對(duì)表面6。表面6向該末端的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致加熱器4的冷卻增加。因此，加熱器4的溫度降低。再次將溫度的降低作為加熱器4的電阻變化來(lái)測(cè)量。
仍然參照?qǐng)D5、6和7，在本發(fā)明的特定優(yōu)選實(shí)施例中，該間距由置于覆蓋表面6的傳感器3的一端的至少一個(gè)尖端10來(lái)定義。該尖端10或每一個(gè)尖端10與表面6滑動(dòng)接觸。在操作中，在保持加熱器4相對(duì)于表面6的熱隔離的同時(shí)，該尖端10或每一個(gè)尖端10便利于明確確定傳感器3相對(duì)于表面6的間距。組合地參照?qǐng)D7和8，在本發(fā)明的特定優(yōu)選實(shí)施例中，前述的傳感器3是由硅基片制造的，采用從基準(zhǔn)2延伸大約150微米的懸臂彈簧的形式。該懸臂彈簧包括一對(duì)在遠(yuǎn)離基準(zhǔn)2的末端互連的肢狀物。導(dǎo)電路徑經(jīng)過(guò)一個(gè)肢狀物，通過(guò)該末端，然后經(jīng)過(guò)另一個(gè)肢狀物。加熱器4位于一個(gè)肢狀物中。在承載加熱器4的肢狀物中，在加熱器4的每一端形成小孔11。小孔11在加熱器4和傳感器3的其余部分之間的傳熱路徑中引起收縮(constriction)，從而熱隔離加熱器4。在該例中采用主肢狀物的摻雜劑注入來(lái)形成加熱器4。然而，在本發(fā)明的其他實(shí)施例中可以采用其他技術(shù)來(lái)產(chǎn)生加熱器4。
在本發(fā)明的特定優(yōu)選實(shí)施例中，為了使傳感器3的扭曲最小化，通過(guò)該尖端10或每一個(gè)尖端10與表面6之間的摩擦來(lái)使傳感器3能夠抵抗扭力。這種扭曲可能不利地影響傳感器3的線性度。參照?qǐng)D8和9描述的傳感器3的一對(duì)肢狀物設(shè)計(jì)有助于提供抗扭阻力。注意，在圖8和9所示的優(yōu)選實(shí)施例中，一對(duì)上述尖端10位于傳感器3的該末端的相對(duì)角附近。通過(guò)以此方式來(lái)放置這樣一對(duì)尖端10，可以獲得傳感器3的附加穩(wěn)定性和降低的對(duì)扭曲運(yùn)動(dòng)的靈敏度。
圖10和11示出前面參照?qǐng)D8和9描述的傳感器3的靈敏度和線性度的測(cè)量。該測(cè)量是在與前面參照?qǐng)D4至7描述的裝置類(lèi)似的裝置中，通過(guò)傳感器3的尖端10與硅的采樣表面相接觸來(lái)執(zhí)行的。由于利用遵循三角波形的周期線性運(yùn)動(dòng)來(lái)設(shè)置采樣表，該測(cè)量是通過(guò)對(duì)串聯(lián)10k歐姆電阻器的傳感器3施加直流(DC)電壓，并且監(jiān)視傳感器3的電壓變化來(lái)獲得的。電壓變化是通過(guò)經(jīng)由增益為100且?guī)挒?00kHz的DC耦合放大器觀測(cè)到的。圖7的圖示出了從表面6的40nm位移產(chǎn)生的檢測(cè)信號(hào)。圖10中清楚地示出小于40nm的傳感器3的靈敏度，其中帶寬為100kHz，信噪比接近于1。圖11的圖示出了傳感器3對(duì)三角波形的37微米周期線性位移的響應(yīng)。具體地說(shuō)，圖11的圖描述了傳感器3具有超過(guò)25微米范圍的線性響應(yīng)。在傳感器3對(duì)位移的響應(yīng)基本為線性的區(qū)域中，能夠通過(guò)獲得電壓信號(hào)的一階導(dǎo)數(shù)和二階導(dǎo)數(shù)來(lái)計(jì)算表面6的速度和加速度。在y軸上-0.5V以下觀測(cè)到的線性偏差，由傳感器3相對(duì)于表面6的平面之間的角度未對(duì)準(zhǔn)而產(chǎn)生。測(cè)量出尖端10與表面6接觸的本發(fā)明該特定示例的熱時(shí)間常數(shù)處于50微秒范圍內(nèi)。本發(fā)明的其他實(shí)施例可以呈現(xiàn)不同的熱時(shí)間常數(shù)。
如前所示，能夠通過(guò)獲得傳感器3的電壓信號(hào)的一階導(dǎo)數(shù)和二階導(dǎo)數(shù)來(lái)計(jì)算表面6的速度和加速度?，F(xiàn)在參照?qǐng)D12，在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，傳感器3的電壓信號(hào)的一階導(dǎo)數(shù)和二階導(dǎo)數(shù)是通過(guò)將一階和二階微分電路12和13串聯(lián)連接到傳感器3的輸出來(lái)獲得的。在操作中，傳感器3的輸出產(chǎn)生指示感測(cè)位移d的信號(hào)，一階微分電路12的輸出產(chǎn)生指示感測(cè)速度v的信號(hào)，而二階微分電路13的輸出產(chǎn)生指示感測(cè)加速度a的信號(hào)。參照?qǐng)D13，一階微分電路12可以通過(guò)電容器C1、電阻器R1和虛接地放大器A1來(lái)形成，放大器A1具有包含R1的負(fù)反饋回路。類(lèi)似地，二階微分電路13可以通過(guò)電容器C2、電阻器R2和虛接地放大器A2來(lái)形成，放大器A2具有包含R2的負(fù)反饋回路。應(yīng)當(dāng)理解，也可以采用其他微分電路設(shè)計(jì)。
在一些實(shí)施例中，環(huán)境溫度等的變化可能在從具有前述形式的傳感器3獲得的測(cè)量中產(chǎn)生不期望的DC漂移。這就變得不適合于某些應(yīng)用。然而，現(xiàn)在參照?qǐng)D14，在本發(fā)明的特定優(yōu)選實(shí)施例中，通過(guò)采用一對(duì)前述的傳感器3和3′來(lái)最小化對(duì)DC漂移的靈敏度。具體地說(shuō)，將傳感器3和3′放置在與表面6的相對(duì)邊界5和5′鄰近的位置上。然后，測(cè)量來(lái)自傳感器3和3′的輸出電壓之差。在圖1 5中，表面6位于接近于傳感器3和3′的范圍中點(diǎn)的位置。因此，表面6面對(duì)傳感器3和3′的幾乎相等的區(qū)域。然而，在圖16中，沿傳感器3和3′的檢測(cè)軸，將表面6放置到傳感器3和3′的范圍的一端。因此，幾乎全部的一個(gè)傳感器3面對(duì)表面6，而另一個(gè)傳感器3′幾乎一點(diǎn)也不面對(duì)表面6。
在前述的本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例中，提供傳感器3以便測(cè)量物體沿單一運(yùn)動(dòng)軸的位移。然而，本發(fā)明同樣適用于測(cè)量物體1沿超過(guò)一個(gè)運(yùn)動(dòng)軸的線性運(yùn)動(dòng)。例如，現(xiàn)在參照?qǐng)D17，在本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，提供了兩個(gè)前面參照?qǐng)D1至10所述的傳感器3和3″，每一個(gè)傳感器測(cè)量物體1在兩個(gè)正交方向中相應(yīng)一個(gè)方向上的位移。具體地說(shuō)，一個(gè)傳感器3位于表面6的第一邊界5的附近。另一個(gè)傳感器3″位于表面6的與第一邊界5正交的第二邊界5″的附近。于是，每一個(gè)傳感器3和3″沿表面6的兩個(gè)正交運(yùn)動(dòng)軸中的不同運(yùn)動(dòng)軸，提供與表面6的線性運(yùn)動(dòng)相對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)測(cè)量。兩個(gè)傳感器3和3″的獨(dú)立操作防止在兩個(gè)測(cè)量之間產(chǎn)生串?dāng)_。
在前述的一些本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例中，表面6的邊界5由該表面的外圍提供。然而，參照?qǐng)D18，在本發(fā)明的其他實(shí)施例中，如前所述，邊界5可以通過(guò)在表面6中形成的臺(tái)階來(lái)提供。邊界5的其他形式也是可能的，例如表面6中的槽等。
如前所述，參照?qǐng)D2，本發(fā)明同樣適用于旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的檢測(cè)。參照?qǐng)D19，在圖2所示的本發(fā)明實(shí)施例的修改方案中，第二區(qū)域8由在盤(pán)6中形成的徑向槽9構(gòu)成。將前面參照?qǐng)D1到10描述的傳感器3放置在與盤(pán)6平行的平面中與盤(pán)6相鄰，使得槽9隨著盤(pán)6旋轉(zhuǎn)而經(jīng)過(guò)加熱器4。每次槽9經(jīng)過(guò)加熱器4時(shí)，都會(huì)干擾加熱器4和盤(pán)6之間的熱傳導(dǎo)。如前所述，這些干擾能夠用電學(xué)方法從加熱器4中檢測(cè)到。于是，能夠產(chǎn)生指示軸1的旋轉(zhuǎn)速度的脈沖信號(hào)。應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明的該實(shí)施例在轉(zhuǎn)速計(jì)應(yīng)用中特別地但不是排他地有用。在圖18所示的優(yōu)選實(shí)施例的另一種修改方案中，在盤(pán)6中形成多個(gè)等距離的彼此隔開(kāi)的徑向槽9。槽9便利于測(cè)量軸1的旋轉(zhuǎn)位移。應(yīng)當(dāng)理解，在本發(fā)明的其他實(shí)施例中，槽9可以由在盤(pán)6中形成的凹槽(recess)來(lái)代替。參照?qǐng)D20，在前面參照?qǐng)D19所述的本發(fā)明的另一種修改方案中，表面6具有從軸1徑向延伸的輻條的形式。每次輻條6經(jīng)過(guò)加熱器4時(shí)，都會(huì)干擾加熱器4的熱傳導(dǎo)。然后，仍然能夠用電學(xué)方法從加熱器4中產(chǎn)生指示軸1的旋轉(zhuǎn)速度的脈沖信號(hào)。應(yīng)當(dāng)理解，可以將多個(gè)徑向輻條6連接到軸1上，從而便利于軸1的旋轉(zhuǎn)位移的測(cè)量。
現(xiàn)在參照?qǐng)D21，在本發(fā)明的測(cè)量軸1旋轉(zhuǎn)的另一個(gè)實(shí)施例中，通過(guò)附著到軸1上的逗號(hào)形狀的表面來(lái)提供第一區(qū)域7，而通過(guò)圍繞該表面的空氣來(lái)提供第二區(qū)域8。通過(guò)該表面的外圍來(lái)提供第一區(qū)域7與第二區(qū)域8之間的邊界5。該表面是如此成形的，即，使得旋轉(zhuǎn)軸與該表面的外圍之間的徑向距離沿該表面的外圍、從最小值到最大值增加。傳感器3被放置在與參照?qǐng)D19所述的表面相鄰的位置上。參照?qǐng)D22，隨著該軸旋轉(zhuǎn)，加熱器4的電阻遵循刈痕(swath)波形而變化。
參照?qǐng)D23，在本發(fā)明的測(cè)量軸旋轉(zhuǎn)的另一個(gè)實(shí)施例中，通過(guò)附著到軸1上的盤(pán)狀表面來(lái)提供第一區(qū)域7，而通過(guò)圍繞該表面的空氣來(lái)提供第二區(qū)域8。通過(guò)該盤(pán)的外圍來(lái)提供第一區(qū)域7與第二區(qū)域8之間的邊界。一對(duì)前述的傳感器3和3′面對(duì)該盤(pán)的相對(duì)邊界。軸1的旋轉(zhuǎn)軸相對(duì)于該盤(pán)的中心偏移。在操作中，參照?qǐng)D24，隨著該軸旋轉(zhuǎn)，運(yùn)行中的電阻，即一個(gè)傳感器3上的加熱器4的電阻遵循三角波形而變化。類(lèi)似地，參照?qǐng)D25，隨著該軸旋轉(zhuǎn)，另一個(gè)傳感器3′上的加熱器4′的電阻遵循三角波形而變化。然而，與加熱器4′的電阻相關(guān)聯(lián)的三角波形和與加熱器4的電阻相關(guān)聯(lián)的三角波形相位相差90度。參照?qǐng)D26，通過(guò)從加熱器4和4′之一的輸出中減去另一個(gè)的輸出，能夠建立來(lái)自傳感器3和3′的合成輸出，其中消除了檢測(cè)信號(hào)中的任何DC偏移量。
參照?qǐng)D27，前面參照?qǐng)D8和9所述的體現(xiàn)本發(fā)明的傳感器3和3′，對(duì)于測(cè)量物體1相對(duì)于基準(zhǔn)2的移動(dòng)特別有用，例如在前述Vettiger等人的文獻(xiàn)中描述的局部探針存儲(chǔ)設(shè)備18中存儲(chǔ)表面15相對(duì)于局部探針陣列14的移動(dòng)。如前所述，在局部探針存儲(chǔ)設(shè)備18中，一般地，存儲(chǔ)表面15經(jīng)由微機(jī)電掃描器子系統(tǒng)16、在平行于陣列14的平面內(nèi)的正交方向上移動(dòng)。掃描器子系統(tǒng)1 6可以通過(guò)壓電器件來(lái)實(shí)現(xiàn)。然而，可以采用其他掃描機(jī)制。控制器17連接到掃描器16和傳感器3。提供了兩對(duì)協(xié)同操作的傳感器3，每一個(gè)傳感器都與前面參照?qǐng)D13所述的一樣。一對(duì)傳感器3檢測(cè)在運(yùn)行的正交方向中的一個(gè)方向上的移動(dòng)。另一對(duì)傳感器3檢測(cè)在運(yùn)行的另一個(gè)方向上的移動(dòng)。特別是在還需要獲取或者再獲取前述PES信號(hào)的情形中，傳感器3的輸出被反饋到控制器17，以便形成用于控制陣列14相對(duì)于存儲(chǔ)表面15的移動(dòng)的負(fù)反饋控制回路?？刂破骺梢酝ㄟ^(guò)硬連線電路、計(jì)算機(jī)程序代碼或者硬連線電路和計(jì)算機(jī)程序代碼的組合來(lái)實(shí)現(xiàn)。應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明在很多其他應(yīng)用中同樣有用。這種應(yīng)用的示例包含自動(dòng)控制系統(tǒng)的位移傳感器、速度傳感器和加速度計(jì)，以及傳動(dòng)裝置和工廠控制系統(tǒng)。其他很多應(yīng)用應(yīng)當(dāng)是顯然的。
權(quán)利要求
1.一種用于檢測(cè)物體移動(dòng)的傳感器，所述物體被設(shè)置成在一個(gè)平面中移動(dòng)，所述傳感器包括加熱器，面對(duì)所述物體的運(yùn)動(dòng)平面，并且具有依賴(lài)于溫度的電阻；和在所述物體中定義的邊界，位于具有不同導(dǎo)熱率的區(qū)域之間；其中，隨著所述物體的移動(dòng)，所述邊界相對(duì)于所述加熱器移動(dòng)，產(chǎn)生所述加熱器的熱損耗中的相應(yīng)變化以及所述加熱器的電阻中的相應(yīng)變化。
2.如權(quán)利要求1所述的傳感器，其中，所述物體被設(shè)置成在所述平面中進(jìn)行平移移動(dòng)。
3.如權(quán)利要求2所述的傳感器，其中，所述邊界位于所述物體的平面表面中。
4.如權(quán)利要求3所述的傳感器，其中，所述邊界是直線的。
5.如權(quán)利要求4所述的傳感器，其中，所述加熱器包括一個(gè)延伸體，與所述平面表面平行地重疊和延伸，并且與所述邊界垂直。
6.如權(quán)利要求5所述的傳感器，其中，所述延伸體包括硅懸臂，其中形成有摻雜電阻區(qū)域。
7.如權(quán)利要求5或權(quán)利要求6所述的傳感器，其中，所述邊界位于所述平面表面的外圍。
8.如權(quán)利要求5或權(quán)利要求6所述的傳感器，其中，所述邊界被形成為所述平面表面中的臺(tái)階。
9.一種用于檢測(cè)物體移動(dòng)的移動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，所述物體被設(shè)置成在一個(gè)平面中移動(dòng)，所述系統(tǒng)包括如權(quán)利要求5到8中的任何一項(xiàng)所述的第一和第二傳感器，用于在所述平面中沿所述物體的公共移動(dòng)軸的相對(duì)方向上操作。
10.如權(quán)利要求9所述的移動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，其中，所述第一和第二傳感器各自面對(duì)所述表面的第一和第二平行邊界。
11.一種用于檢測(cè)物體移動(dòng)的移動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，所述物體被設(shè)置成在一個(gè)平面中移動(dòng)，所述系統(tǒng)包括如權(quán)利要求5到8中的任何一項(xiàng)所述的第一和第二傳感器，用于在所述平面中所述物體移動(dòng)的正交方向上操作。
12.如權(quán)利要求11所述的移動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，其中，所述第一和第二傳感器各自面對(duì)所述表面的第一和第二正交邊界。
13.一種局部探針存儲(chǔ)設(shè)備，包括存儲(chǔ)表面，局部探針存儲(chǔ)陣列具有面對(duì)所述存儲(chǔ)表面的多個(gè)尖端；掃描器，用于使所述存儲(chǔ)表面在與所述陣列平行的平面中相對(duì)于所述陣列移動(dòng)；和如權(quán)利要求9到12中的任何一項(xiàng)所述的移動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，用于檢測(cè)所述存儲(chǔ)表面相對(duì)于所述陣列的移動(dòng)。
14.如權(quán)利要求1所述的傳感器，其中，所述表面被設(shè)置成與所述加熱器平行地圍繞旋轉(zhuǎn)軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)移動(dòng)。
15.如權(quán)利要求14所述的傳感器，其中，所述該邊界具有槽的一側(cè)的形式，所述槽在所述表面中形成并且從所述旋轉(zhuǎn)軸起作徑向延伸。
16..如權(quán)利要求14所述的傳感器，其中，所述表面包括從所述旋轉(zhuǎn)軸起作徑向延伸的輻條，并且所述邊界包括所述輻條的一側(cè)。
17.一種用于檢測(cè)物體移動(dòng)的方法，所述物體被設(shè)置成在一個(gè)平面中移動(dòng)，所述方法包括放置一個(gè)具有依賴(lài)于溫度的電阻的加熱器，使其面對(duì)所述物體的運(yùn)動(dòng)平面；在具有不同導(dǎo)熱率的區(qū)域之間，定義所述物體中的邊界；并且，在所述物體在所述平面中移動(dòng)期間，隨著所述邊界相對(duì)于加熱器移動(dòng)，與所述加熱器的熱損耗中的變化相對(duì)應(yīng)地檢測(cè)所述加熱器的電阻中的變化。
全文摘要
一種用于檢測(cè)物體移動(dòng)的傳感器，該物體被設(shè)置成在一個(gè)平面中移動(dòng)，該傳感器包括加熱器，面對(duì)物體的移動(dòng)平面，并且具有依賴(lài)于溫度的電阻；和定義在該物體中的邊界，位于具有不同導(dǎo)熱率的區(qū)域之間；其中，隨著該物體的移動(dòng)，該邊界相對(duì)于加熱器移動(dòng)，產(chǎn)生加熱器熱損耗中的相應(yīng)變化以及加熱器電阻中的相應(yīng)變化。
文檔編號(hào)G11B9/00GK1678512SQ03819970
公開(kāi)日2005年10月5日 申請(qǐng)日期2003年8月22日 優(yōu)先權(quán)日2002年8月29日
發(fā)明者格爾德·K·賓尼格, 米歇爾·德斯龐特, 馬克·A·蘭茨, 彼得·維蒂格 申請(qǐng)人:國(guó)際商業(yè)機(jī)器公司